CN106206569A - 一种基于埋层触发的低触发电压双向scr器件 - Google Patents
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Abstract
本发明属于电子技术领域，提供一种基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件，用以降低双向SCR器件的触发电压。本发明双向SCR器件包括1个主器件、主器件两侧的n个、m个触发器件构成，触发器件为二极管器件，相邻近触发器件之间串联；所述主器件在基本双向SCR结构中的第一种导电类型阱区A和第一种导电类型阱区C内分别设置一个第一种导电类型重掺杂区，将基本双向SCR中仅起隔离作用的封闭的第一种导电类型重掺杂埋层与两侧外部触发二极管串相连，构成了“埋层+二极管串”的低电压触发通道，从而降低双向SCR器件触发电压；同时，能够通过调节触发器件数量实现触发电压可调；本发明还有效提高了器件的开启速度。
Description
技术领域
本发明属于电子技术领域，涉及静电释放(ESD：Electro-Static discharge)保护电路的设计，具体涉及一种横向可控硅整流器SCR(Silicon ControlledRectifier简称SCR)。
背景技术
静电放电(Electro-Static Discharg，简称ESD)是指处于不同静电势能的两物体间的电流流动，一般来讲ESD多指快速电流流动。在人们日常生活中，ESD现象随处可见。对于集成电路来说，从生产到运输，系统集成以及用户使用，所有过程都有可能在集成电路的引脚上产生静电放电现象。ESD过程中产生的瞬间大电流，高功率可以对半导体器件产生一系列热损伤，这将烧毁半导体和金属互连线；而在ESD过程中产生的强电场，则会对非导电性薄膜产生破坏，通常表现为MOS管栅氧化层的击穿；此外，有些芯片所受到的ESD损伤是潜伏的，通常无法在测试阶段发现，最终会造成产品寿命的缩短。在过去三十年的研究中发现，37％的芯片失效是由ESD事件引起的，因此，ESD保护器件的设计及应用极其重要。
要实现一个特定半导体工艺上的ESD保护器件的设计和优化，首先要确定该工艺的ES D设计窗口。ESD设计窗口就是ESD器件的安全工作区域；ESD设计窗口由两个边界确定，窗口的下限为1.1*VDD(VDD为芯片I/O口或电源管脚的工作电压)，保护器件的箝位电压要高于此边界电压以避免闩锁效应的发生；设计窗口的上限为芯片内部核心电路能正常承受而不损坏的最大电压，保护器件要在该边界电压值之前触发，一般来讲这个边界电压值为0.9*BVox(BVox是栅氧化层的击穿电压)；设计窗口上下限的乘积因子1.1和0.9表示为避免噪声影响各留出的10％的安全余量。
如图1所示为一个SCR器件的ESD设计窗口，图中，Vt1和It1是SCR器件的触发电压和触发电流，Vh和Ih是SCR器件的维持电压和维持电流，Vt2和It2是SCR器件的二次击穿电压和二次击穿电流；从图中可以看出，SCR器件的触发电压、维持电压和二次击穿电压一定要在该ESD设计窗口的范围之内，即1.1*VDD～0.9*BVox之间。
随着集成电路工艺的不断进步，特征尺寸不断缩小，金属互连线的变窄势必会引起互联线上的电阻的增大，这将使得基于电源嵌位的ESD防护策略不再适用。此时，在进行全芯片ESD防护网络设计时，更多的是采用基于双向ESD器件的防护策略。基于SCR的ESD保护结构因其具有极高的效率并可以提供很高的ESD保护水平已成为ESD保护方案中的重要选择，但其触发电压高及维持电压低是制约其发展应用的重要因素。
如图2所示为基本双向SCR器件结构及等效电路，该双向SCR器件是由第一个寄生的n pn晶体管Q2、一个寄生的pnp晶体管Q1和第二个寄生npn晶体管Q3构成；其中，n型重掺杂区132、p型阱区130、n型重掺杂埋层170构成第一个寄生npn晶体管Q2；n型重掺杂区151、p型阱区150、n型重掺杂埋层170构成第二个寄生npn晶体管Q3；p型重掺杂区131、p型阱区130、n型重掺杂埋层170(n型阱区140)、p型阱区150、p型重掺杂区152构成寄生的pnp晶体管Q1；R1为p型阱区130电阻，R2为p型阱区150电阻；n型阱区120、n型重掺杂埋层170、n型阱区160共同构成隔离区，将双向SCR与p型衬底相隔离。当给PAD1施加一个正脉冲时(PAD2接地)，第二个寄生npn管的集电结反偏，即由n型重掺杂埋层170和p型阱区150构成的pn结反偏；当反偏电压大于该pn结的雪崩击穿电压，该pn结产生大量的电子-空穴对，电子经n型重掺杂埋层170、p型阱区130、p型重掺杂区131到达PAD1，寄生pnp管开启；与此同时，雪崩产生的空穴经p型阱区150、p型重掺杂区152到达PAD2，空穴电流在p型阱区150的电阻R2上产生压降，最终导致由p型阱区150和n型重掺杂区151构成的pn结正偏，此时第二个寄生的npn管开启；之后，pnp管的集电极电流为第二个npn管提供基极电流，且第二个npn管的集电极电流为pnp管提供基极电流，在寄生pnp管与第二个npn管之间产生正反馈机制，SCR导通。当给PAD2施加正脉冲(PA D1接地)时，此时第一个npn管和寄生pnp管会产生正反馈机制，触发SCR的导通。由于该双向SCR完全对称的器件结构，将会使正反向模式下的I-V特性完全对称。
随着集成电路工艺的不断进步，MOS器件的栅氧化层进一步减薄，会使栅氧击穿电压B Vox不断下降，传统依靠pn结雪崩击穿触发的双向SCR器件的触发电压已远远高于保护电路的栅氧击穿电压，SCR起不到电压箝位的作用，无法实现有效的ESD保护。同时，IC电路的工作电压VDD也随着工艺的进步不断降低，这将减小双向SCR器件发生latch-up的几率。因而，在先进工艺下，降低双向SCR器件的触发电压是ESD保护器件的重要发展方向。
发明内容
本发明的目的在于提供了一种新型的基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件结构，该结构与已有的双向SCR结构相比，具有非常低的触发电压，与此同时，还可通过调整触发二极管器件的数目来进一步调整其触发电压，使其广泛适用于先进工艺下不同工作电压的IC电路。
为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件，包括1个主器件、主器件左侧的n个触发器件和主器件右侧的m个触发器件构成，其中，n≥1、m≥1；
所述触发器件为二极管器件，包括第二种导电类型硅衬底，硅衬底上形成第一种导电类型阱区，阱区内设有第一种导电类型重掺杂区和第二种导电类型重掺杂区；相邻近触发器件之间串联；
所述主器件为对称结构，包括第二种导电类型硅衬底；所述硅衬底上形成第一种导电类型重掺杂埋层；所述埋层上形成从左向右依次邻接的第一种导电类型阱区A、第二种导电类型阱区A、第一种导电类型阱区B、第二种导电类型阱区B和第一种导电类型阱区C；所述第一种导电类型阱区A和第一种导电类型阱区C内均设有第一种导电类型重掺杂区，且分别与最近邻的触发器件内第二种导电类型重掺杂区相连；所述第二种导电类型阱区A内设有与PAD1相连的第二种导电类型重掺杂区和第一种导电类型重掺杂区，以及与第n个触发器件内第一种导电类型重掺杂区相连的另一个第二种导电类型重掺杂区；所述第二种导电类型阱区B内设有与PAD2相连的第一种导电类型重掺杂区和第二种导电类型重掺杂区，以及与第m个触发器件内第一种导电类型重掺杂区相连的另一个第二种导电类型重掺杂区。
本发明的发明效果在于：
本发明提供基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件，其主器件通过在基本双向SCR结构中的第一种导电类型阱区A和第一种导电类型阱区C内分别设置一个第一种导电类型重掺杂区，将基本双向SCR中仅起隔离作用的封闭的第一种导电类型重掺杂埋层与两侧外部触发二极管串相连，构成了“埋层+二极管串”的低电压触发通道，其中第一种导电类型重掺杂埋层在双向SCR器件正反向状态下为公用触发通道，从而实现具有超低触发电压的双向SC R器件，对芯片进行有效的静电防护；同时，调节两侧触发器件数目，能够使本发明双向SC R器件触发电压可调，并且根据具体需求的不同，器件的正反向I-V特性可设置为对称或不对称两种模式(n、m相同或不同)。另外，第一种导电类型重掺杂埋层在双向SCR器件正反向状态下为公用触发通道，充分利用了双向SCR器件结构中第一种导电类型重掺杂埋层与第二种导电类型阱区构成的pn结，该pn结作为双向SCR器件内部寄生pnp管的发射结，能够实现快速开启寄生pnp管，进而快速开启SCR器件的功效，提高了器件的开启速度。
附图说明
图1为ESD设计窗口。
图2为基本双向SCR器件结构示意图及等效电路图。
图3为实施例1基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件结构示意图及等效电路图。
图4为实施例2基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件结构示意图及等效电路图。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
实施例1
本实施例提供一种基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件，其结构示意图和等效电路图如图3所示，包括1个主器件、主器件左侧的n个触发器件和主器件右侧的m个触发器件构成，其中，n≥1、m≥1；
所述主器件为对称结构，包括p型硅衬底110；所述硅衬底110上形成n型重掺杂埋层170；所述埋层170上形成从左向右依次邻接的n型阱区120、p型阱区130、n型阱区140、p型阱区150和n型阱区160；所述n型阱区120和n型阱区160内分别设有n型重掺杂区121、161；所述p型阱区130内从左往右依次设有p型重掺杂区131、n型重掺杂区132、p型重掺杂区133，p型重掺杂区131和n型重掺杂区132均与PAD1相连；所述p型阱区150内从左往右依次设有p型重掺杂区153、n型重掺杂区151、p型重掺杂区152，n型重掺杂区151和p型重掺杂区152均与PAD2相连；
所述主器件左侧第一个触发器件为二极管器件；其结构包括p型硅衬底110；衬底110上形成n型阱区200；n型阱区200内设有一个n型重掺杂区201和一个p型重掺杂区202；
所述主器件左侧第二个触发器件为二极管器件；其结构包括p型硅衬底110；衬底110上形成n型阱区190；n型阱区190内设有一个n型重掺杂区191和一个p型重掺杂区192；
所述主器件左侧第n个触发器件为二极管器件；其结构包括p型硅衬底110；衬底110上形成n型阱区180；n型阱区180内设有一个n型重掺杂区181和一个p型重掺杂区182；
所述主器件右侧第一个触发器件为二极管器件；其结构包括p型硅衬底110；衬底110上形成n型阱区210；n型阱区210内设有一个p型重掺杂区211和一个n型重掺杂区212；
所述主器件右侧第二个触发器件为二极管器件；其结构包括p型硅衬底110；衬底110上形成n型阱区220；n型阱区220内设有一个p型重掺杂区221和一个n型重掺杂区222；
所述主器件右侧第m个触发器件为二极管器件；其结构包括p型硅衬底110；衬底110上形成n型阱区230；n型阱区230内设有一个p型重掺杂区231和一个n型重掺杂区232；
所述主器件的n型阱区120内的n型重掺杂区121与左侧第一个触发器件的n型阱区200内的p型重掺杂区202相连；左侧第一个触发器件的n型阱区200内的n型重掺杂区201与左侧第二个触发器件的n型阱区190内的p型重掺杂区192相连，后续触发器件间连接以此类推，即左侧相邻近触发器件间串联；左侧第n个触发器件的n型阱区180内的n型重掺杂区181与主器件的p型阱区130内的p型重掺杂区133相连；
所述主器件的n型阱区160内的n型重掺杂区161与右侧第一个触发器件的n型阱区210内的p型重掺杂区211相连；右侧第一个触发器件的n型阱区210内的n型重掺杂区212与右侧第二个触发器件的n型阱区220内的p型重掺杂区221相连，后续触发器件间连接以此类推，即右侧相邻近触发器件间串联；右侧第n个触发器件的n型阱区230内的n型重掺杂区232与主器件的p型阱区150内的p型重掺杂区153相连。
另外，需要说明的是主器件两侧的触发二极管器件个数一般情况下相等，即n＝m,可得到完全对称的I-V特性，实际应用中可根据具体ESD设计窗口设置为不同的值。
本实施例提供双向SCR通过创新性的在基本双向SCR结构中的n型阱区120和160中分别添加了一个n型重掺杂区121和161，将基本双向SCR中封闭的n型重掺杂埋层170(在基本双向SCR中该埋层仅起隔离的作用)与外部触发二极管串相连，从而构成了埋层+二极管串的低电压触发通道；其中埋层在器件正反向状态下均为触发通道，因而为公用触发通道。该双向SCR器件在正向工作模式下的触发通路包含一个双向SCR内部的pn结(即P130与N170形成的PN结)、n型埋层170及n型阱区160、m个触发二极管器件和p型阱区150；反向工作模式下的触发通路包含一个双向SCR内部的pn结(即P150与N170形成的PN结)、n型埋层170及n型阱区120、n个触发二极管器件和P型阱区130；其触发电压为触发通路上所有二极管压降之和，即：
Vt1_forward≈(m+1)×0.7V
Vt1_backward≈(n+1)×0.7V
当对PAD1施加一个正向的ESD脉冲时(PAD2接地)，当PAD1端所加电压高于[(m+1)×0.7]V时，电流会从与PAD1相连的p型重掺杂区131流入器件，经p型阱区130与n型重掺杂埋层170构成的正偏pn结流入n型重掺杂埋层170，随后经右侧的n型阱区160及其内的n型重掺杂区161流入右侧的触发二极管串中，经第m个二极管的n型重掺杂区232流回至双向SCR器件PAD2所在的p型阱区150内，并最终经过p型阱区150及与PAD2相连的p型重掺杂区151流至PAD2。由前所述，此时该路径上的电压降为[(m+1)×0.7]V，远低于基本双向SCR器件中p型阱区150与n型重掺杂埋层170形成的PN结的反向雪崩电压(如前所述，在基本双向SCR器件中器件利用此PN结的雪崩击穿电压进行触发导通)，因此此时器件利用埋层+二极管串作为初始触发通道，不再依赖于PN结的雪崩击穿，因此实现了降低器件触发电压的效果。并且根据具体需求的不同，可以调整二极管串数目m的值，实现了触发电压的可调。
此时由于p型阱区130与n型重掺杂埋层170构成的pn结正偏，双向SCR器件内寄生的pnp管Q1导通，此后，随着正向导通电流的逐渐增大，由于p型阱区150阱电阻的存在，使得其电势不断升高，当p型阱区150电势高于n型重掺杂区152 0.7V时，此时p型阱区150与n型重掺杂区151构成的pn结正偏，此时，双向SCR器件内寄生的npn管Q3触发导通；此后，寄生的npn管Q3与寄生的pnp管Q1构成正反馈机制，促使SCR器件的导通。导通后电流的主路径为：PAD1→p型重掺杂131→p型阱区130→n型埋层170或n型阱区140→p型阱区150→n型重掺杂区151→PAD2；
当对PAD2施加一个正向的ESD脉冲时(PAD1此时接地)，由于完全对称的器件结构，双向SCR触发机理完全一致，此不赘述，SCR导通后电流的主路径与上述电流主路径对称。
综上，本实施例提供双向SCR器件工作于正反向状态时均可实现基于埋层触发的超低电压触发，并且根据不同的应用需求，可通过调整正反路径上的二极管数目m和n以达到触发电压的可调的效果。
实施例2
本实施例提供一种基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件，其结构示意图和等效电路图如图4所示，包括1个主器件、主器件左侧的n个触发器件和主器件右侧的m个触发器件构成，其中，n≥1、m≥1；其中主器件两侧触发器件结构及器件间连接关系与实施例1相同，此处不再赘述，其区别在于：所述主器件的p型阱区130内从左往右依次设有p型重掺杂区133、p型重掺杂区131、n型重掺杂区132，p型重掺杂区131和n型重掺杂区132均与PAD1相连；所述p型阱区150内从左往右依次设有n型重掺杂区151、p型重掺杂区152、p型重掺杂区153，n型重掺杂区151和p型重掺杂区152均与PAD2相连。其工作原理及效果与实施例1相同。
以上所述，仅用于说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的宗旨和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。本说明书中所公开的任一特征，除非特别叙述，均可被其他等效或具有类似目的的替代特征加以替换；所公开的所有特征、或所有方法或过程中的步骤，除了互相排斥的特征和/或步骤以外，均可以任何方式组合。
Claims (1)
1.一种基于埋层触发的低触发电压双向SCR器件，包括1个主器件、主器件左侧的n个触发器件和主器件右侧的m个触发器件构成，其中，n≥1、m≥1；
所述触发器件为二极管器件，包括第二种导电类型硅衬底，硅衬底上形成第一种导电类型阱区，阱区内设有第一种导电类型重掺杂区和第二种导电类型重掺杂区；相邻近触发器件之间串联；
所述主器件为对称结构，包括第二种导电类型硅衬底；所述硅衬底上形成第一种导电类型重掺杂埋层；所述埋层上形成从左向右依次邻接的第一种导电类型阱区A、第二种导电类型阱区A、第一种导电类型阱区B、第二种导电类型阱区B和第一种导电类型阱区C；所述第一种导电类型阱区A和第一种导电类型阱区C内均设有第一种导电类型重掺杂区，且分别与最近邻的触发器件内第二种导电类型重掺杂区相连；所述第二种导电类型阱区A内设有与PAD1相连的第二种导电类型重掺杂区和第一种导电类型重掺杂区，以及与第n个触发器件内第一种导电类型重掺杂区相连的另一个第二种导电类型重掺杂区；所述第二种导电类型阱区B内设有与PAD2相连的第一种导电类型重掺杂区和第二种导电类型重掺杂区，以及与第m个触发器件内第一种导电类型重掺杂区相连的另一个第二种导电类型重掺杂区。
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